煤體結構及煤層氣壓裂液參數優選試驗研究

蘇 龍

（山西陽泉新宇巖土工程有限責任公司，山西 陽泉 045000）

本文以煤層氣地質學作為理論基礎，深入研究了煤層氣的賦存狀態與吸附作用。在現場得到的資料和實驗室資料的基礎上，對壓裂參數進行了比較和優選，為其他相同地質環境礦區的煤層氣研究提供一定借鑒。

1 煤層氣賦存和吸附特性

一般情況下，煤層氣在煤層內有3種基本賦存狀態：①被吸附于煤的孔隙、裂隙內表面上的氣體，即吸附氣；②以游離狀態存在于煤的孔（裂）隙中，即游離氣；③溶解于煤層水中的氣體，即溶解氣。在煤化過程中產生的氣體首先滿足吸附，之后是溶解與自由沉淀。溫度和壓力共同作用之下，3種不同形式的氣體處于動態的平衡體系內。

1.1 吸附氣體

大部分瓦斯被吸附在煤層中，據估計，吸附瓦斯占煤中瓦斯總量的70～85%，其比值取決于煤變質作用和埋藏深度等因素。

1.2 游離氣體

煤中游離氣體含量不大。據來自艾魯尼和其他來自前蘇聯科學院的信息，煤具有適度的變質程度，自由氣體占總氣體含量只有6～10% ，深度范圍為300～1100m。

1.3 水溶性氣體

甲烷具有一定的水溶性。根據煤科學研究院西安分院進行的系統甲烷水溶性試驗的結果，每升水可溶解0.1L至幾升甲烷。甲烷在水中的溶解度很低。然而，當極難溶解的甲烷被大量的地下水溶解時，大量的氣體被從氣池中運出，導致甲烷消散。在自然界中，煤層往往是含水層，當儲層壓力足夠低以使氣體從煤中解吸時，由于地下水的流動，可以從煤層中去除甲烷。據統計，山西煤田中的煤層氣大部分存在于吸附狀態的煤層微孔中，占總氣量的49～99%，而游離氣體占氣體總量的1～51%，其中大部分小于10%，如圖1。

圖1 山西煤田煤中吸附氣與游離氣所占百分比

2 煤層斷裂特征

煤的裂隙是煤儲層中煤層氣進行流動的渠道，是煤儲層滲透性的前提。影響煤儲層最大滲透方向和煤層氣井壓裂方向的重要參數，與井網布置及井距的關系密切。借助電子顯微鏡觀察，該區1煤層的變質程度相對較高，且發育不良好，只有在鏡面煤帶中存在。井田的煤樣經電鏡觀察，煤發育次生裂隙，二次裂縫寬度和伸長率不均勻，不同裂縫的形狀主要孤立或幾個裂縫相交，無網狀結構的形成，局部高嶺石或方解石填充。古3孔裂縫密度遠大于古2孔，而交叉裂縫現象普遍存在，反映了礦區不同地段煤層裂隙的非均質性和滲透性差異。

3 壓裂液試驗及優化

所采用的壓裂水基凝膠壓裂液由清水、增稠劑、交聯助劑、凝膠斷路器等組成。具有縫紉和承載能力的砂土，黏度可調，可控性好，摩擦小，損耗系數低。缺點是儲層損壞，為了使壓裂液對儲層造成的損害降到最低，以下是各種添加劑的優選試驗。

3.1 優選增稠劑

增稠劑是水基凝膠壓裂液的主要組成成分，主要用于提高壓裂液的粘度，提高制縫和帶砂的能力。有許多增稠劑可供選擇，根據其來源分為三類，即合成聚合物、生物聚合物、天然高分子 (纖維素和植物膠)。植物膠的高粘度及其衍生物的增稠劑，易于配料，價格低廉，被廣泛用于壓裂液的增稠。羥丙基胍膠具有融水速度快、含水不溶物含量低、耐溫性好等優點，是國內外油田應用最廣泛的壓裂液增稠劑。壓裂采用羥丙基胍膠作增稠劑，增稠劑的性能主要表現為其增稠能力、交聯能力和水物。因此，對常用的五種胍膠的性能進行了比較，如表1所示。

從實驗數據可以看出，瓜爾膠5的黏度、含水量、溶出率和交聯性能均良好，綜合性能最好。因此，瓜爾膠被選為壓裂液的增稠劑。

表1 幾種不同胍膠對比試驗

3.2 交聯劑優選

交聯劑是水基凍膠壓裂液的重要組分。交聯劑是能與聚合物線型大分子鏈形成新的化學鍵，使其聯結成網狀體型結構的化學劑。聚合物水溶液因交聯作用形成凍膠。交聯劑的選用由聚合物可交聯的官能團和聚合物水溶液的pH值決定。交聯劑的用量與壓裂液的耐溫性能有關，用量越大，耐溫性能越好。因此，應根據地層溫度確定交聯劑的用量。

交聯速度應根據井深確定，進入煤層段時，壓裂液開始交聯。常用的交聯劑有YL-1、 JC-15、有機鈦、有機鋯，其中有機鈦和有機鋯使用較早，多為高溫水井，在低溫下破碎凝膠困難，針對前兩個交聯劑做性能對比，如表2。

表2 交聯劑性能比較

由于研究區煤層埋深較淺，根據實驗結果，優選YL-1作為本次壓裂液的交聯劑。

3.3 破膠劑的優選

該膠劑可以降低增稠劑的分子，破壞凝膠的結構，使壓裂液進入地層，可以打破凝膠，在指定的時間內回排并釋放壓裂液，減少損傷壓裂液的形成。常用的有有氧化破碎劑和酶制劑，APS是最常用的氧化斷路器。用量對凍膠性能有很大的影響，大量的膠凝劑能迅速地導致膠斷裂，使接縫和砂帶的能力較差，從而使施工失敗。小劑量會導致破碎的凝膠緩慢而不完全，因此，用量亟待優化。影響破膠劑用量的主要因素是儲層的溫度與施工的時間。因此，實驗優選出了壓裂液在不同溫度與不同時間條件下破膠劑的用量，如圖2所示。

圖2 破膠劑用量與溫度、時間的關系

由圖可以明顯的看出，溫度為24℃時，YDH-1能非常好的刺激APS，起到很好的作用。因此，該壓裂試驗選擇YDH-1作為低溫的活化劑。

4 壓裂液最佳配方優化試驗

為了形成適合于研究區儲層的壓裂液配方，要了解壓裂液在該地區的作用；了解各種添加劑在壓裂液中的作用，并對這些添加劑進行研究，加入這些添加劑的適當劑量；了解添加劑的組成與壓裂液本身的相容性如何；了解地層壓裂液對油層的損害程度以及如何減少甚至避免這種破壞。根據研究區低溫儲層的特點，充分考慮了壓裂施工技術的要求，通過大量的添加劑和用量的精細試驗，得出了適合該地區的低溫壓裂液配方：

0.22%YZ-1（稠化劑）+ 0.8%KCL（防膨劑）+ 0.04%YS-1（殺菌劑）+ 0.04%YL-1（交聯劑）+0.08%YDH-1（活化劑）+ 0.04%～0.15%APS（破膠劑）

根據優選的配方配置壓裂液，靜置一天一夜之后，壓裂液透明、無渾濁、無沉淀、相容性好。可以得出，優選的壓裂液配方比較好的適用于研究區的儲層壓裂。

5 支撐劑實驗與優化

水力壓裂的最終目的是在地層中建立一個高支撐裂縫，形成高流動電導率和足夠長的砂裂隙，是煤層氣增量提高的極為重要的因素。粒徑細小的細砂非常容易導致局部堵塞，一定程度上降低了裂縫的滲透性，而泥質煤粉容易遷移和堵塞，對支撐劑及其性能的研究是非常重要的。研究區儲層中存在大量的結構軟煤，對壓裂用的支撐劑要求就高了。常規壓裂采用的石英砂不符合施工要求，煤層不能發揮應有的支護效果，但大量的埋入式結構的軟煤，形成了靠近井口的壓實區，壓裂液創造有效的裂縫起到配角的作用，對新井的施工，對支撐劑的優選作一定的試驗，并得到了理想的實驗效果。

描述支撐劑性能有以下幾個參數：支撐劑粒徑、支撐劑密度、支撐劑強度等。目前，用于煤層氣儲層壓裂施工常見的支撐劑有石英砂支撐劑、陶粒支撐劑、木質支撐劑、樹脂包衣砂支撐劑等，對其性能描述見表3。

6 現場效果

壓裂施工數據表明，排量越大，形成的裂縫越窄，高度越大，且容易壓穿頂底板含水層，而煤層壓裂的關鍵是擴大縫寬和縫長，因此小排量施工是比較合適的方法，現場施工效果表明，4～5m3/min 的排量較為適宜。選用粒徑在8～10目、密度在1.3～1.4g/cm3的支撐劑，目的一是降低攜砂液的負擔，二是可迅速填滿構造煤，使剩余的支撐劑有效支撐裂縫，使得煤層氣連續產出。

7 結論

研究區特殊的儲層條件要求壓裂液在壓裂時應具有更強的承載能力，普通活性壓裂液并不能很好的實現這一要求。胍膠的砂承載能力較好，但破碎塑料外殼不完整，對整體地層的滲透性造成了一定的損害。結合本文所做的一系列試驗與現場相結合，得出以下優化后的配比方案：0.22%YZ-1（稠化劑）+ 0.8%KCL（防膨劑）+ 0.04%YS-1（殺菌劑）+0.04%YL-1（交聯劑）+ 0.08%YDH-1（活化劑）+0.04%-0.15%APS（破膠劑）。此方案在現場應用，取得了理想的效果，對煤礦的經濟生產起到了重要的作用。